Атомная масса элементов

Атомы очень малы. Их масса колеблется в пределах 10^–22–10^–24 грамм. Теперь представим средних размеров атом массой приблизительно 10^–23 грамм, что составляет примерно 0,00000000000000000000001 грамма. Теперь представьте крупинку песка размером 1/156 сантиметра, чья масса составляла бы примерно 0,001 (10^–3) грамма. Поэтому крупинка песка в 100 000 000 000 000 000 000 раз больше, чем один-единственный атом, массой 10^–23 грамм, – неудивительно, что вы не можете увидеть атом. Так каким же образом Дальтон определял массу атомов некоторых основных элементов, таких как кислород, водород и азот?

Должно быть ясно, что когда кто-то взвешивает любой объект, его общая масса зависит от массы всех атомов, из которых он состоит. Очевидно, отдельные массы всех атомов, составляющих объект, несомненно сложатся в массу объекта в целом. Если объект состоит только из одного типа атомов (одного элемента), то все еще проще: количество атомов в объекте, умноженное на массу элемента, равняется общей массе объекта.

Для экспериментальных целей хорошим начальным примером для «объекта», состоящего из атомов одного типа, лучше всего подойдет газ, например кислород, азот, водород и т. д. Кроме того, в некоторых случаях мы можем взять два различных газа, представляющих собой простые вещества, и смешать их вместе таким образом, что они претерпят химическую реакцию, образовав продукт. Например, если смешать газ водород с газом кислородом, они сформируют водяной пар (при правильных условиях).

Наблюдая сохранение массы/атомов после взвешивания реагентов (водорода и кислорода) и конечного продукта (водяного пара), мы понимаем, что суммарная масса используемых реагентов и масса конечного продукта будут равняться друг другу. Вопрос заключается в том, как определить массу атомов, вовлеченных в эту химическую реакцию (а именно кислорода и водорода)?

Предположим, мы определяем полные массы кислорода и водорода, используемых в химической реакции, которую Дальтон и другие проводили с помощью средств, доступных в XIX веке. Общая масса кислорода (или водорода), используемых в химической реакции, равна количеству использованных атомов кислорода (водорода), умноженному на реальную массу единственного атома кислорода (водорода). Далее мы можем разделить (например) общую массу использованного кислорода и водорода, чтобы получить отношение количеств использованных атомов (кислорода и водорода), умноженное на отношение реальных масс их атомов.

Это последнее отношение и есть относительная масса, которую мы пытаемся определить, хотя мы все еще не определили реальную, «абсолютную» массу атома кислорода или атома водорода. Честно говоря, сама масса атомов не так важна, если мы можем получить их относительную массу, которая является отношением реальной массы данного атома к некоторому произвольному эталону.

Например, согласно современным данным, относительная масса атома кислорода приблизительно равна 16, тогда как у атома водорода – приблизительно равна 1. Это означает, что атом кислорода в шестнадцать раз тяжелее, чем атом водорода. Однако это не означает, что кислород фактически весит 16 некоторых единиц. Также по современным стандартам «опорным» атомом для нашей текущей системы является углерод, которому приписывают относительную массу, равную примерно 12. Это означает, что атом углерода в двенадцать раз тяжелее, чем атом водорода, но всего в 0,75 раза тяжелее, чем атом кислорода (12 ÷ 16 = 0,75).

Я действительно говорил, что мы близки к определению относительной массы, но еще не достигли результата. В то время как мы знаем отношение полных масс кислорода и водорода, участвующих в химической реакции (мы взвешиваем их), мы не знаем отношение между атомами кислорода и водорода, которые объединяются, чтобы создать воду. Если бы мы знали, то могли бы определить и относительный вес кислорода и водорода.

Сегодня общеизвестно, что формула воды – H₂O, но Дальтон понятия не имел, что это так. Недостаточное количество экспериментальных данных и плохое понимание того, как объединяются атомы, чтобы сформировать вещества, не позволяли ему выяснить это. Дальтон должен был решить эту проблему, и он сделал это, создав очень простое правило: правило наибольшей простоты Дальтона. Правило Дальтона было не чем иным, как предположением, которое было необходимо ему, если он хотел добиться какого-то прогресса в определении относительных масс атомов.

Дальтон предположил, что если два элемента объединяются (такие как кислород (O) и водород (H)) и результатом их взаимодействия может быть только один продукт, то объединение их атомов возможно самым простым способом в соотношении 1: 1. Теперь, если эти элементы объединяются, чтобы создать два продукта реакции, то соотношение для первого продукта становится 1: 1, а для второго – 1: 2. Это предположение может объяснять и более сложные случаи: те же элементы при создании третьего продукта должны давать пропорцию 1: 3. Помните, что это было предположением, которое иногда работало, а иногда терпело неудачу.

Вернемся к нашему примеру с кислородом и водородом, образующими водяной пар. Во времена Дальтона вода была единственным продуктом, или соединением (сложным атомом, как называл его Дальтон) реакции с участием элементов кислорода и водорода. Поэтому отношение составляющих ее атомов – 1: 1, что сделало формулу воды таковой: HO, – так считал Дальтон. Сегодня мы знаем, что верная формула воды – H₂O.

Однако были некоторые случаи, в которых правило Дальтона действительно работало. Рассмотрим угарный газ и углекислый газ, которые, как считал Дальтон, состоят из углерода (C) и кислорода (O). Зная, что для получения диоксида углерода используется вдвое больше кислорода, чем для формирования углекислого газа, и применяя правило наибольшей простоты Дальтона, мы получаем соответствующие формулы: CO₂ и CO – и они верные. Заметьте, что отношение количеств кислорода в двух оксидах – 2: 1, в то же время количество углерода 1: 1.

Это пример того, что Дальтон называл законом кратных отношений, который гласит, что, когда те же элементы объединяются, чтобы сформировать несколько соединений, они делают это таким способом, что соответствующие элементы находятся в целочисленных отношениях. В нашем примере с оксидами углерод находится в отношении 1: 1 в двух веществах, в то время как кислород находится в соотношении 2: 1. Сегодня это нас совсем не удивляет. В конце концов, это результат веры в то, что атомы являются неделимыми единицами, из которых состоит материя; если вы не можете разделить атомы, тогда у вас не может быть одного вещества с дробным отношением между его элементами, и при этом у вас не может быть нескольких веществ, сформированных теми же элементами с дробным отношением между его элементами. Однако правило наибольшей простоты было слишком простым, как и закон кратных отношений.

С твердой верой в атомы, впечатляющей физической интуицией, вооруженный несколькими простыми правилами, Дальтон смог составить таблицу относительных масс, которую он представил в 1803 году на встрече Литературного и философского общества Манчестера. В 1805 году ее впервые опубликовали, а в 1808 году она вышла в свет с систематическими объяснениями метода, когда Дальтон опубликовал первый том книги «Новая система химической философии». В ней на основе водорода он рассчитывает следующие относительные массы: водород (H) – 1; азот (N) – 5; углерод (C) – 5,4; кислород (O) – 7; фосфор (P) – 9; сера (S) – 13 и так далее, включая еще несколько элементов и веществ.

Вспомните относительные веса – это только отношение весов, а не сам вес элемента. Например, согласно теории Дальтона, азот в пять раз тяжелее водорода. Беглый взгляд на современную периодическую таблицу элементов показывает, что Дальтон получил относительные веса неверно (за исключением водорода). Как же Дальтон наделал столько ошибок?

Ну, вспомните, что у него не было способа выяснить точные соотношения числа атомов в конкретной молекуле, и он применил свое (очень произвольное) правило наибольшей простоты. Кроме того, хотя у Дальтона была замечательная интуиция, он был довольно посредственным экспериментатором, и, таким образом, данные его экспериментов были сомнительными. Но, вероятно, больше всего Дальтона подвел тот факт, что вещества, с которыми он работал, – газы, такие как кислород, азот, водород и т. п., – не являлись одноатомными.

Строгая вера Дальтона в неделимость атомов означала, что он рассматривал газы, с которыми работал, как состоящие из одиночных атомов, или одноатомные по природе. В целом это не лишено смысла, так как большинство элементов действительно существует именно в таком виде. К сожалению, газы, с которыми работал Дальтон, не являются таковыми. Скорее, они существуют как два атома, «связанные» вместе, или как двухатомные молекулы.

Например, кислород, водород и азот существуют в природе в виде молекул O₂, H₂ и N₂, опровергая теорию Дальтона. Когда появились более точные экспериментальные данные, стало ясно, что расчеты количества атомов веществ Дальтона были ошибочными. Сам Дальтон пытался доработать свою атомную теорию, и, исследуя воду, в 1810 году он утверждал: «В конце концов, можно допустить, что вода может быть трехмолекулярным веществом», – то есть ее формула может выглядеть так: H₂O или HO₂, а не как изначально предложенная НО.

В то время не было способа узнать точное отношение, в котором объединялись элементы, формируя соединения. Неудача системы атомных масс Дальтона не должна принижать его вклад в исследования атома, которые имеют актуальность и по сей день (далее мы обсудим это подробнее).

Можно предположить, что повторяющаяся обработка всех экспериментальных данных, возможно, позволила бы Дальтону выяснить соотношение атомных масс путем систематического устранения несоответствий – это было бы невероятно громоздкой работой. К счастью, новое решение ждало буквально за углом.